5
BAB II
LANDASAN TEORI
Dalam perancangan alat bantu untuk penderita tuna daksa menggunakan mikrokontroler Atmega 328 yang sudah dalam bentuk kit arduino UNO R3 dan komponen pendukung seperti : motor shield L298, buzzer, aki, motor DC, dan Easy Voice Recognition yang merupakan bagiakn elektrikal dari sebuah alat. Selain komponen elektrikal di atas, terdapat bagian mekanik dan bagian program. Mekanik adalah hal yang paling terpenting di antara ketiganya karena walaupun kita memiliki elektrik dan program yang baik tetapi mekanik nya buruk maka yang dihasilkan adalah alat yang buruk tetapi dengan mekanik yang baik walaupun elektrik dan programnya buruk akan menghasilkan alat yang cukup baik. Sehingga urutan untuk merancang sebuah robot ialah mulai dari mendesign mekanik , kemudian bagian elektrik dan yang terakhir bagian programming tetapi untuk dapat merancang mekanik yang baik kita perlu mengetahui komponen-komponen apa saja yang akan dipasang di mekanik alat.
2.1. Mekanik Alat
Dalam sebuah perancangna alat, mendesain mekanik perlu dilaksanakan dengan beberapa pertimbangan, antara lain :
Dimensi alat yang akan dibuat
Komponen-komponen akan terpasang Navigasi alat atau robot
Bahan penyusun mekanik
Metode pembuatan mekanik (manual/mesin) Jalur pengkabelan
Software perancangan mekanik Berat beban pada mekanik Estetika design
Keefiseinan design
Gambar 2.1 hollow aluminium
Aluminium memiliki beberapa kekurangan dn kelebihan yang berpengaruh terhadap perancangan mekanik alat bantu yang antara lain :
a. Kelebihan
Mempunyai bobot yang ringan.
Minim perawatan.
Tahan terhadap karat.
b. Kekurangan
Mudah tergores.
Lemah terhadap benturan.
Kurang fleksibel dalam hal desain. 2.2. Elektrikal Alat
Pemasangan sistem elektrikal pada perancangan alat bantu ini didominasi oleh kit elektrikal yang akan dijelaskan sebagai berikut.
2.2.1 Arduino
Adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source, diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. Arduino juga memiliki fasilitas untuk berkomunikasi dengan computer, Arduino lain atau juga mikrokontroler lainnya pada ATmega328.
Sebuah FTDI FT23RL pada saluran komunikasi serial board ini melalui USB dan driver FTDI yang menfasilitasi port com virtual untuk perangkat lunak pada komputer Perangkat lunak pada Arduino termasuk monitor serial yang menghubungkan data tekstual sederhana dikirim ke Arduino.
Pada board Arduino akan muncul dua lampu LED (TX dan RX ) ketika ada proses transfer data dari program Arduino ke perangkat keras (Hardware), dengan demikian menandakan bahwa sedang ada proses upload data.Setiap pin digital pada Arduino bias dihubungkan kedalam suatu alat, misalnya LCD (Liquid Cristal Display), Sensor, Buzzer dan lain- lain .
Arduino ini bisa dijalankan di komputer dengan berbagai macam platform karena didukung atau berbasis Java. Source program yang kita buat untuk aplikasi mikrokontroler adalah bahasa C/C++ dan dapat digabungkan dengan assembly. Penulis menggunakan arduino berbasis mikrokontroler AVR dilingkungan jenis ATMEGA yaitu ATMEGA 8, 168, 328 dan 2650. Dari tampilan kedua dapat dibagi menjadi 3 jendela yaitu: Menu dan tombol icon, editor dan pesan. Pada bagian bawah terlihat jenis mikrokontroler atau board arduino saat ini yaitu Board Arduino BT dengan mikrokontroler ATmega328 dengan menggunakan kanal serial COM7 untuk upload hasil kompilasi dan komunikasi konsole serial.
Pada masa lalu hingga saat ini bekerja dengan hardware berarti membuat rangkaian menggunakan berbagai komponen elektronik seperti resistor, kapasitor, transistor dan sebagainya. Setiap komponen disambungkan secara fisik dengan kabel atau jalur tembaga yang disebut dengan istilah “hard wired” sehingga untuk merubah rangkaian maka sambungan-sambungan itu harus diputuskan dan disambung kembali. Dengan hadirnya teknologi digital dan microprocessor fungsi yang sebelumnya dilakukan dengan hired wired digantikan dengan program-program software. Ini adalah sebuah revolusi di dalam proses prototyping. Software lebih mudah diubah dibandingkan hardware, dengan beberapa penekanan tombol kita dapat merubah logika alat secara radikal dan mencoba versi ke-dua, ke-tiga dan seterusnya dengan cepat tanpa harus mengubah pengkabelan dari rangkaian.
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip
atau IC (integrated circuit) yang menggunakan computer. Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang diinginkan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai otak yang mengendalikan proses input, dan output sebuah rangkaian elektronik.
Spesifikasi
Mikrokontroler Atmega328 Tegangan Operasi 5V
Tegangan Input (disarankan) 7-12V Tegangan Input (batas) 6-20V
14 Pin Digital I/O (6 diantaranya Pin PWM) 6 Pin Analog
Arus DC per Pin I/O 40 mA Arus DC untuk pin 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB dengan 0,5 KB digunakan untuk bootloader SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB
Kecepatan Pewaktu 16 MHz
Kelebihan Arduino
Tidak perlu perangkat chip programmer karena di dalamnya sudah ada bootloader yang akan menangani upload program dari 9actor9r.
Sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna Laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya.
Bahasa pemrograman 10actor10r mudah karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan library yang cukup lengkap.
Memiliki modul siap pakai (shield) yang 10act ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD Card, dll.
Gambar 2.2 Arduino UNO R3
Penggunaan Arduino sangat mudah, kemudahan difungsikan supaya kita tidak perlu lagi mengetahui detail perangkat keras dari mikrokontroler terutama mengenai konfigurasi register-register yang harus dilakukan dengan mengetahui cara kerja dari mikrokontroler. Selain itu Arduino sangat kaya dengan library baik dari pengembang arduino maupun sumbangan dari orang lain, karena arduino sifatnya adalah open source.
`
Gambar 2.3 Konfigurasi Arduino
Pada saat source dikompilasi, maka hasilnya berupa file heksa di upload ke mikrokontroler secara serial dengan memanfaatkan pin TX/RX untuk ATmega8 adalah penyemat 2 dan 3. Disamping IDE arduino sebagai jantungnya, bootloader adalah jantung dari arduino lainnya yang berupa program kecil yang dieksekusi sesaat setelah mikrokontroler diberi catu daya. Pada tahap pemasangan kita harus mengetahui dimensi dari Arduino, sehingga pada saat pemasangan kedalam suatu tempat bisa menjadi perhitungan. Berikut gambar 2.3 menunjukkan dimensi dari Arduino.
Gambar 2.4 Dimensi Arduino
Bootloader ini berfungsi sebagai pemonitor aktifitas yang diinginkan oleh arduino. Jika dalam IDE terdapat file hasil kompilasi yang akan diupload, bootloader secara otomatis menyambutnya untuk disimpan dalam memori program. Jika pada saat awal mikrokontroler bekerja, bootloader akan mengeksekusi program aplikasi yang telah diupload sebelumnya.
Jika IDE hendak mengupload program baru, bootloader seketika menghentikan eksekusi program berganti menerima data program untuk selanjutnya diprogramkan dalam memori program mikrokontroler. Pendek kata sangat mudah mekanisme pengembangan aplikasinya. Tentang IDE arduino kita bahas sampai disini saja, selanjutnya saya akan menjelaskan perangkat keras pendukung lainnya.
2.2.2 Atmega328
Komponen utama Arduino adalah mikrokontroler Atmega, mikrokontroler yang digunakan untuk Arduino Duemilanove Atmega 328, sedangkan mikrokontroler adalah suatu terobosan dalam teknologi mikroprosesor dan mikrokomputer. Bedanya, mikrokontroler hanya bisa digunakan untuk menangani suatu aplikasi tertentu. Perbedaan lain terletak pada perbandingan RAM dan ROM. Komputer mempunyai RAM dan ROM yang besar, tetapi pada mikrokontroler sangat terbatas. ROM digunakan oleh mikrokontroler untuk menyimpan program sedangkan RAM digunakan untuk menyimpan data sementara. Mikrokontroler terdiri dari ALU (Arithmetic and logical unit), CU (Control Unit), dan PC (program counter),SP (Stack Pointer), register-register, sebuah rangkaian pewaktu dan rangkaian penyela (interrupt). Mikrokontroler juga dilengkapi dengan beberapa piranti pendukung lain seperti dekoder, port, komunikasi, input/output serial dan pararel, juga beberapa tambahan khusus seperti interrupt handler dan timer/counter.
Gambar 2.6 Pemetaan Pin Atmega 328 Pada Arduino
2.2.3 Socket USB ( Universal Serial Bus )
USB port merupakan port yang paling populer pada komputer dewasa ini menggantikan port serial dan paralel yang umum terdapat pada komputer lama, kemungkinan port serial dan paralel pada komputer tersebut tidak akan ditemukan lagi pada komputer PC maupun laptop terbaru.
Teknologi port USB pada Arduino menunjukkan bahwa teknologi Arduino sangat up to date mendukung teknologi dewasa ini dan kedepannya. Dengan teknologi USB tersebut membuat kreatifitas kita dengan Arduino menjadi sangat praktis karena memudahkan proses upload sketch dari ke board Arduino dan digunakan sebagai komunikasi serial antara board Arduino dengan, sehingga kita bebas berkreatifitas membuat aplikasi-aplikasi yang berantarmuka langsung dengan.
2.2.4 Input dan Output
Input/Output Digital atau digital pin adalah pin-pin untuk menghubungkan Arduino dengan komponen atau rangkaian digital. Misalnya kalau ingin membuat LED berkedip, LED tersebut dipasang pada salah satu pin I/O digital dan ground. Komponen lain yang menghasilkan output digital atau menerima input digital disambungkan ke pin-pin ini.
Input Analog atau analog pin adalah pin-pin yang berfungsi untuk menerima sinyal dari komponen atau rangkaian analog. Misalnya dari CT, PT, sensor suhu, sensor, LCD dsb.
2.2.5 Catu Daya
Pin-pin catu daya adalah pin yang memberikan tegangan untuk komponen atau rangkaian yang dihubungkan dengan Arduino. Pada bagian catu daya ini
terdapat juga pin Vin dan Reset. Vin digunakan untuk memberikan tegangan langsung kepada Arduino tanpa melalui tegangan USB atau adaptor. Reset adalah pin untuk memberikan sinyal reset melaui tombol atau rangkaian eksternal
2.3. Perangkat Lunak Program IDE
Untuk memulai program Arduino (untuk membuatnya melakukan apa yang kita inginkan) kita menggunakan IDE Arduino (Integrated Development Environment),IDE Arduino adalah bagian dari software opensuorce, yang memungkinkan kita untuk memprogram bahasa Arduino dalam bahasa C.
IDE memungkinkan kita untuk menulis sebuah program secara step by step kemudian instruksi tersebut di upload ke papan Arduino. Kemudian Arduino Anda akan melakukan instruksi tersebut dan berinteraksi dengan dunia luar. Dalam dunia Arduino, Program ini dikenal sebagai Sketches
IDE terpisah dari toolbar, the code ada ditengah dan the serial Output ada dibawah terdiri dari tujuh tombol diantaranya:
1. Verify/Compile Digunakan untuk mengecek atau memeriksa apakah kode sudah benar sebelum dikirim kepapan Arduino.
2. Stop Berfungsi untuk memberhentikan Serial Monitor dari pengoperasian 3. New Berfungsi untuk membuat tampilan lembar kerja atau sketch baru
untuk memasukan kode.
4. Open Menampilkan list lembar kerja yang telah disimpan 5. Save Menyimpan lembar kerja
7. Serial Monitor Menampilkan hasil data-data yang telah dikirim dari Arduino.
Gambar 2.8 Toolbar IDE
Untuk mengoperasikan atau menggabungkan Arduino pada PC(personal Computer) kita dapat menggunakan program-program seperti Processing, Flash, MaxMSP, Visual Basic, dan lain lain.
2.4. Motor DC
Motor DC adalah motor listrik yang memerlukan suplai tegangan arus searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi gerak mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Motor arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC memiliki 3 bagian atau komponen utama untuk dapat berputar sebagai berikut;
Kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi ruang terbuka diantara kutub-kutub dari utara ke selatan.
Current Elektromagnet atau Dinamo. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi.
Commutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk transmisi arus antara dinamo dan sumber daya. Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan
Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Gaya Elektromagnetik (E) E = KΦN Torque (T) : T= K Φ Ia
Dimana:
E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt) Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit) T = torque electromagnetik
Ia = arus dinamo
2.5. LCD ( Liquid Crystal Display )
Penampil kristal cair (Inggris: liquid crystal display; LCD) adalah suatu jenis media tampilan yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD sudah digunakan di berbagai bidang misalnya dalam alat-alat elektronik seperti televisi, kalkulator ataupun layar komputer. Kini LCD mendominasi jenis tampilan untuk komputer meja maupun notebook karena membutuhkan daya listrik yang rendah, bentuknya tipis, mengeluarkan sedikit panas, dan memiliki resolusi tinggi.
LCD bisa memunculkan gambar dikarenakan terdapat banyak sekali titik cahaya (piksel) yang terdiri dari satu buah kristal cair sebagai sebuah titik cahaya. Walau disebut sebagai titik cahaya, namun kristal cair ini tidak memancarkan cahaya sendiri. Sumber cahaya di dalam sebuah perangkat LCD adalah lampu neon berwarna putih di bagian belakang susunan kristal cair tadi.
Titik cahaya yang jumlahnya puluhan ribu bahkan jutaan inilah yang membentuk tampilan citra. Kutub kristal cair yang dilewati arus listrik akan berubah karena pengaruh polarisasi medan magnetik yang timbul dan oleh karenanya akan hanya membiarkan beberapa warna diteruskan sedangkan warna lainnya tersaring
Modul LCD memiliki karakteristik sebagai berikut:
Terdapat 16 x 2 karakter huruf yang bisa ditampilkan. Setiap huruf terdiri dari 5x7 dot-matrix cursor.
Terdapat 192 macam karakter.
Terdapat 80 x 8 bit display RAM (maksimal 80 karakter).
Memiliki kemampuan penulisan dengan 8 bit maupun dengan 4 bit. Dibangun dengan osilator lokal.
Satu sumber tegangan 5 volt.
Otomatis reset saat tegangan dihidupkan. Bekerja pada suhu 0oC sampai 55oC.
2.6. Easy Voice Recognition
EasyVR merupakan module voice rocognition multi fungsi yang dapat digunakan pada banyak aplikasi pengontrolan yang membutuhkan pendeteksian bukan hanya suara melainkan percakapan. Alat ini berrfungsi sebagai sensor dengan memanfaatkan perekaman suara pada EasyVR Commander.
EasyVR merupakan generasi penerus setelah kesuksesan generasi pertamanya di pasaran yaitu VRBot. Module ini dapat digunakan/dihubungkan dengan board mikrokontroler Arduino. Sangat cocok digunakan untuk beragam aplikasi, seperti home automation (dimana Anda dapat mengontrol nyala lampu, kunci pintu, televisi, atau perangkat lainnya hanya dengan perintah) atau sebagai module pelengkap sensor pendengaran robot yang dibuat sebagaimana robot-robot canggih yang dijual di pasaran yang harganya luar biasa mahal. Fitur dari komponen inti antara lain :
Mendukung beberapa bahasa, yaitu :
English(US), Italian, German, French, Spanish, Japanese
Mendukung hingga 32 custom Speaker Dependet (SD) trigger atau perintah, bahkan dapat digunakan pada bahasa apapun.
GUI yang mudah digunakan
Dapat dihubungkan dengan mikrokontroler dengan koneksi UART (tegangan 3.3 - 5 V)
Mudah diaplikasikan dan didukung oleh dokumentasi yang sederhana 3 x GPIO (IO1, IO2, IO3) dapat dikontrol dengan perintah protokol baru PWM audio output mendukung speaker 8 ohm
Sound playback
2.7. Motor Shield L298
Karena mikrokontroler tidak dapat memberikan arus yang cukup untuk menggerakkan motor DC maka digunakan shield driver motor L298 dengan output arus sebesar 2 A. IC L298 digunakan dalam perancangan karena IC
tersebut merupakan rangkaian H-Bridge yang dirancang untuk memudahkan dalam memberikan arus dua arah dengan tegangan antara 4,5 volt hingga 36 volt terhadap motor DC. IC L298 dapat digunakan untuk mengontrol motor DC half-bridge dengan jumlah motor sebganyak empat buah atau full-bridge dengan dua buah motor DC. IC ini mempunyai empat pin masukan yang besesuaian dengan empat pin keluarannya. Selain itu juga teradpat dua pin enable atau disable untuk pin keluaran 1,2 dan 3,4. Berikut adalah diagram bloknya.
Gambar 2.11 datasheet dan blok diagram IC L298
2.8. Power Supply
Power supply adalah alat atau sistem yang berfungsi untuk menyalurkan energi listrik atau bentuk energi jenis apapun yang sering digunakan untuk menyalurkan energi listrik. Pada perangcangan alat bantu power supply yang digunakan berupa akumulator atau ACCU dengan tegangan 12 V sebanyak 2 buah. Akumulator pertama dikgunakan sebagai supply tegangan bagi
mikrokontroller sedangkan akumulator yang kedua digunakan sebagai supply tegangan untuk motor DC. Masing-masing akumulator bertegangan 12 V.
Gambar 2.12 ACCU atau akumulator 2.9. Komunikasi USB (Universal Serial Bus)
Komunikasi USB dikatakan sebagai sistem master tunggal, artinya semua aktivitas komunikasi data diawali oleh komputer. Data yang dikirim melalui saluran USB, merupakan data sebanyak 8 byte sampai 256 byte yang dikemas menjadi paket-paket data untuk satu kali pengiriman. Komputer yang aktif minta data dari peralatan dan peralatan wajib memberi data ke komputer.
Pengiriman data terjadi dalam kerangka waktu tiap 1 mili-detik sekali, dalam kerangka waktu tersebut komputer bisa berhubungan dengan beberapa peralatanan secara bergantian.
Peralatan yang berkecepatan rendah, mengirim data dengan kecepatan 1.5 Mega bit per detik, atau setiap bit dikirim dalam waktu 666.7 nano-detik. Sedangkan peralatan dengan kecepatan penuh mengirim data dengan kecepatan 12 Mega bit per detik, atau waktu pengiriman data 1 bit adalah 88.3 nano-detik. Kecepatan tersebut ditentukan oleh komputer, sedangkan semua peralatan harus menyesuaikan kecepatan tersebut.
Pengiriman data ini dilakukan secara asinkron, dengan demikian peralatan USB yang terpasang masing-masing harus membangkitkan sendiri clock untuk penerimaan data.
2.10. Buzzer
Buzzer adalah sebuah komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah getaran listrik menjadi getaran suara. Pada dasarnya prinsip kerja buzzer hampir sama dengan loud speaker, jadi buzzer juga terdiri dari kumparan yang terpasang pada diafragma dan kemudian kumparan tersebut dialiri arus sehingga menjadi elektromagnet, kumparan tadi akan tertarik ke dalam atau keluar, tergantung dari arah arus dan polaritas magnetnya, karena kumparan dipasang pada diafragma maka setiap gerakan kumparan akan menggerakkan diafragma secara bolak-balik sehingga membuat udara bergetar yang akan menghasilkan suara. Buzzer biasa digunakan sebagai indikator bahwa proses telah selesai atau terjadi suatu kesalahan pada sebuah alat (alarm).
